USB Type-C™, USB PD et USB 3.1 2e génération : nouvelles normes de vitesse et de puissance

Par Bruce Rose, CUI Inc.

« Plus vite, plus haut, plus fort » comme le dit la légendaire devise olympique, désormais adaptée pour l'industrie électronique selon la formule « plus rapide, plus petit et plus simple à utiliser » : un cri de mobilisation pour une nouvelle norme de connectivité USB.

Vous avez sûrement déjà vu la nouvelle génération de produits informatiques en vente, comme les nouveaux ports USB Type-C (USB-C™), une tendance qui devrait connaître une hausse considérable à l'avenir en raison de la capacité exceptionnelle de l'USB-C à transmettre les données, la puissance et même l'audio via une connexion filaire unique. Selon le cabinet d'études ABI Research, l'USB Type-C a déjà atteint son point de basculement, avec des livraisons mondiales de smartphones équipés de ce connecteur USB estimées à 830 millions d'ici 2021. Mesurant seulement 9 mm de large et 3,5 mm de haut, il est plus petit que ses prédécesseurs et permet aux fabricants d'équipements de créer des dispositifs encore plus petits. En outre, son avènement concorde parfaitement avec les besoins des groupes de produits émergents comme la domotique et des dispositifs IoT comme les capteurs intelligents qui s'intègrent facilement à ce nouveau boîtier de connecteur, plus petit et moins encombrant.

Simplicité d'utilisation

Le câble pour les applications USB-C peut être inséré par l'une ou l'autre extrémité, et il peut supporter la puissance requise pour des dispositifs tels que les ordinateurs portables, éliminant le recours à de nombreux câbles pour des usages variés.

Cette polyvalence supplémentaire est favorisée par une complexité accrue dans le connecteur (Figure 1). D'abord, il inclut davantage de conducteurs. Contrairement aux connecteurs USB Type-A et Type-B, qui nécessitent quatre ou cinq conducteurs, l'USB-C comprend 24 contacts qui permettent une insertion bidirectionnelle et prennent en charge quatre paires d'alimentation et de masse, ainsi que deux paires de signaux. De plus, ses caractéristiques de durabilité passent à 10 000 insertions, par rapport aux 1 500 des versions précédentes.

Image de la spécification du connecteur USB-C

Figure 1 : La spécification du connecteur USB-C est plus exigeante que les normes précédentes. (Source de l'image : CUI Inc.)

Les paires d'alimentation et de masse de l'USB-C sont répertoriées pour des tensions jusqu'à 20 V et pour un courant nominal accru pour fournir une intensité globale de 5 A, se combinant pour transférer une puissance atteignant 100 W via une connexion USB-C unique. De plus, chaque paire de broches de données peut prendre en charge des taux de transfert de données atteignant 10 Gbps, offrant une capacité combinée totale de 20 Gbps au connecteur.

Dernières spécifications d'alimentation et de données USB-IF

Les nouvelles spécifications relatives à l'alimentation et aux données USB-IF exigent une augmentation significative des capacités USB-C, particulièrement dans les versions USB Power Delivery (USB PD), USB 3.1 2e génération et les spécifications de données haute vitesse USB 3.2 nouvellement instaurées :

  • L'USB PD exploite les quatre paires d'alimentation et de masse pour utiliser la capacité de transfert de puissance totale de 100 W de l'USB-C
  • L'USB 3.1 2e génération utilise un ensemble de voies de données pour définir un taux de transfert de données de 10 Gbps
  • De même, l'USB 3.2 contrôle les deux ensembles de voies de données de 10 Gbps pour maintenir les transferts jusqu'à 20 Gbps

Sur le plan conceptuel, il est important de distinguer la norme USB-C, qui définit uniquement la connexion physique, des spécifications relatives à l'USB PD et aux données haute vitesse [y compris USB 3.1 1re génération (SuperSpeed) et USB 3.1 2e génération (SuperSpeed+), ainsi qu'USB 3.2].

Par exemple, même si le connecteur USB-C est conçu pour prendre en charge la norme USB PD, un contrôleur hôte compatible USB PD est toujours requis pour négocier et gérer la distribution de puissance aux dispositifs connectés. En outre, le câble doit être configuré pour prendre en charge la norme.

L'USB PD ne se résume pas à l'augmentation de puissance ! Il simplifie également la distribution de puissance bidirectionnelle, en fournissant aux utilisateurs davantage de flexibilité pour recharger et alimenter leurs dispositifs. De plus, il est désormais possible d'avoir un flux simultané de données et d'alimentation grâce à la capacité de l'USB PD à réaliser une négociation d'alimentation sur une connexion VBUS au lieu d'utiliser les connexions de données. Le Tableau 1 montre l'amélioration des capacités de transfert USB au fil des dernières générations.

Spécifications Puissance max. Tension max. Courant max.
USB 2.0 2,5 W 5 V 500 mA
USB 3.0 et 3.1 4,5 W 5 V 900 mA
USB BC 1.2 7,5 W 5 V 1,5 A
USB Type-C 1.2 15 W 5 V 3 A
USB PD 3.0 100 W 20 V 5 A

Tableau 1 : Spécifications de distribution de puissance USB

Lorsqu'il s'agit des spécifications de données haute vitesse, l'USB 3.1 de 2e génération définit les signaux de données et d'alimentation, mais ne spécifie pas la connexion physique. Cela permet de connecter un équipement USB 3.1 2e génération pouvant communiquer jusqu'à 10 Gbps avec d'anciens câbles et connecteurs Type-A ou Type-B, tant que ces derniers disposent des caractéristiques suffisantes de courant, de tension et d'intégrité de signal. De même, les connecteurs USB-C peuvent être utilisés pour fournir les normes de connexion héritées, comme USB 2.0, avec de simples adaptateurs matériels.

Connexions

Évidemment, tous les connecteurs ou assemblages de câbles USB-C ne sont pas égaux, et les produits de qualité supérieure offrent de meilleures performances, démontrées par une communication plus fiable sur de plus grandes longueurs de câbles.

En plus de tenir compte de la qualité des matériaux et des connecteurs USB-C sélectionnés pour les futurs produits, les concepteurs ont le choix entre deux versions de prises Type-C (voir Figure 2). Par convention, les prises à montage en surface standard se placent sur une carte à circuit imprimé. Cependant, cela crée une situation où la hauteur totale assemblée est la somme de l'épaisseur du circuit imprimé et de la hauteur du connecteur. Alternativement, un connecteur à montage central peut être inséré dans une fente usinée sur le circuit imprimé ; si cela permet une hauteur d'assemblage globale inférieure, le type à montage central ne permet pas de router les pistes de signaux sous le connecteur.

Image des connecteurs USB-C à montage central et en surface

Figure 2 : Connecteurs USB-C à montage central et en surface. (Source de l'image : CUI Inc.)

Conclusion

Les connecteurs USB Type-C gagnent rapidement en popularité dans le monde de l'électronique grand public. Pour soutenir cette demande croissante, le fabricant de composants électroniques CUI fournit une gamme de prises et fiches USB Type-C en versions à montage central et en surface. Ces connecteurs sont conçus pour prendre en charge les débits de communication définis dans les spécifications USB 3.1 2e génération, tout en répondant aux besoins actuels et futurs des concepteurs.

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À propos de l'auteur

Bruce Rose, CUI Inc.

Article rédigé par Bruce Rose, ingénieur principal des applications, CUI Inc.